瓦斯治理是我国煤炭开采中面临的难题之一，但由于煤层透气性低，采用钻孔抽采治理瓦斯面临单孔抽放半径小的问题。如果施工密集钻孔，则导致钻孔工程量大;采用大直径钻孔，将带来施工效率低、打钻喷孔等问题。程远平等研究了深部煤层渗透率变化原理，认为深部煤层地应力主导有效应力的变化，是控制渗透率的重要因素，通过水力化措施降低煤层地应力是增加渗透率的有效途径[1-3]。高压水射流切割煤层是有效的煤层卸压并改善煤体渗透性措施，相当于使用高压水射流冲刷钻孔周边煤体以开采一层极薄保护层，在增加钻孔瓦斯抽采表面积的同时提供煤体产生蠕动变形空间，以降低煤体内应力从而提高钻孔抽采效果[4-6]。

葛兆龙等分析水力割缝钻孔抽采有效半径影响因素，认为各因素对抽采有效半径影响显著程度依次为渗透率、抽采时间、瓦斯压力、割缝深度[7-8]。沈春明等研究了水平缝槽与垂直缝槽对煤层卸压的影响，认为缝槽上方煤岩卸压效果最为明显[9-11]。林柏泉等分析缝槽深度与宽度对煤岩卸压的影响，认为割缝深度是最要影响因素，割缝宽度仅需满足缝槽卸压形变即可[12-13]，通过割缝缝槽裂隙分布规律的分析，得出钻孔瓦斯压力变化存在“陡坡”现象，水力割缝钻孔对煤岩的扰动范围为2 m[14]。唐巨鹏等通过数值模拟分析不同水力割缝布置方式对煤层卸压防突效果影响，认为交错排列是最有利的割缝钻孔布置形式[15-17]。寇建新等通过数值模拟、现场试验验证，分析了不同脉冲水射流割缝方式对煤层卸压效果的影响，得出交叉割缝是最有利的脉冲射流割缝方式[18]。吴海进等分析地应力的大小和方向对水力割缝卸压效果的影响，通过考察割缝前后煤岩内部应力变化，认为缝槽法线方向同煤岩最大主应力方向为90°或者0°时卸压效果最好，为60°时卸压效果最差[19-20]。

目前水力割缝相关研究侧重于割缝对煤岩渗透率的影响，以及割缝后钻孔抽采效果的现场考察和工艺优化，对割缝卸压增透机制及合理化参数优选等研究较少。笔者利用瓦斯渗流理论分析高压水射流环切割缝自卸压机制，研究了射流割缝对钻孔瓦斯抽采模式的影响;通过数值分析，模拟了缝槽形成后钻孔周边煤体应力状态，优化高压水射流割缝参数;通过现场验证，使用高压水射流环切割缝自卸压机制指导割缝作业，能有效改善围岩应力状态，实现煤层高效卸压增透。

1 环切割缝自卸压瓦斯流动机制

煤属于典型的多孔介质，瓦斯在煤层中的流动过程符合质量守恒定律，即

▽u=0

(1)

式中，M为瓦斯含量，m3/t;u为平均流速，m/s;t为时间微元。

假设煤层顶底板完全不具有渗透性，瓦斯在煤层中的渗流服从达西定律，此时瓦斯渗流速度为

(2)

式中，K为渗透率，m2;μ为瓦斯动力黏度，Pa·s;dn为与瓦斯流动方向同向的极小长度。

单位时间单位面积上的瓦斯流量为

(3)

式中,q为瓦斯压力为p时单位面积上瓦斯流量，m3;qn为当瓦斯压力为标准大气压时瓦斯流量，m3;pn为标准大气压，MPa;p为瓦斯压力，MPa。

面积微元内瓦斯流量即为瓦斯流动速度，将式(3)带入式(2)得到瓦斯流量微分方程[21-22]为

(4)

1.1 普通钻孔瓦斯抽采量

普通钻孔抽采过程中钻孔周边瓦斯流动规律为径向流动，此时式(4)为柱坐标形式，边界条件为r=R1，p=p1;r=R0，p=p0。分离变量并积分，可得到未割缝条件下单位面积钻孔瓦斯抽采量[23]为

(5)

式中，Q1为普通单位面积瓦斯涌出量，m3/d;R1为钻孔半径，m;R0为煤层半厚度，m;p0为煤层瓦斯压力，MPa;p1为钻孔抽采负压，MPa;K1为煤层渗透率，m2。

钻孔瓦斯抽采量与煤层渗透率、瓦斯压力的平方差成正比，与钻孔半径的对数成反比。随着煤层瓦斯渗透率的增加，瓦斯抽采量线性增加，钻孔直径由于对数关系，增大直径带来的边际效益将会迅速降低，因此钻孔瓦斯抽放中增大钻孔直径是次要选择，增加煤体瓦斯渗透率是提高钻孔瓦斯抽采量的主要技术途径。

1.2 割缝缝槽内钻孔瓦斯抽采量

抽采钻孔水力割缝后，孔内形成一系列相互平行的水平缝槽。根据现场实践，中硬煤层条件下割缝缝槽深度远大于钻孔直径，同时割缝缝槽间距远大于缝槽宽度，因此水力割缝后钻孔周边煤体瓦斯流动方向简化为煤体到钻孔的径向流动以及煤体到割缝缝槽的平面单向流动。此时边界条件为x=0，p=p1;x=L，p=p0。使用与径向流动相似的方法，可得到割缝条件下面积微元内瓦斯抽采量为

(6)

式中，K2为水力割缝后钻孔煤体的瓦斯渗透率，m2;L0为相邻割缝缝槽间距,m。

高压水射流切割下缝槽半径为r，相邻割缝缝槽间距为L0，由环割缝槽增加的单位长度钻孔内瓦斯抽采量为

(7)

联立由式(5)得到的钻孔表面流入瓦斯量，高压水射流环割瓦斯抽采总量为

(8)

由式(5)与式(8)对比可知，高压水射流环切割缝自卸压增透技术不仅增大了钻孔瓦斯抽采表面积，同时改善了钻孔瓦斯流动机制，使单一的径向流动变为层间、径向复合流动，极大的提高了钻孔瓦斯抽采效率。

利用高压水射流在钻孔内切割煤体，形成一定宽度和深度的扁平缝槽，宏观缝槽的形成一方面增大了煤体的暴露面积，另一方面提供了煤岩变形空间。承压状态下的煤体经过高压水射流割缝以后，随着割缝煤渣的排出，缝槽附近煤岩应力分布、裂隙发育以及相应的透气性系数等参数均发生变化，煤层含水率增大，煤岩内应力降低，引起受压煤体裂隙张开，煤体透气性提高。同时由于切割缝槽提供煤岩变形空间，地应力再次加载以后煤体因为承压而发生弹塑性变形，由切割缝槽形成瓦斯流动宏观通道的同时，缝槽的上下侧面会形成大量的次生裂隙(图1)。由宏观的缝槽和大量的次生裂隙共同构成了解析瓦斯的流动路径，合理控制缝槽间距，由径向流动与割缝层间流动共同作用实现钻孔间环形网状流动，煤体卸压均匀、充分，煤体的整体透气性系数得以大幅度提高，抽采影响范围增大，抽采效果显著提高。

2 射流割缝卸压效果数值分析

地应力对煤层渗透率有重要影响，随着地应力增加，煤体裂隙开始闭合，煤层渗透率随之降低。渗透率与地应力间拟合规律符合指数函数[22]为

K=K0e-ασ

(9)

式中，K0为初始渗透率，m2;σ为围岩应力，MPa;α为拟合系数。

使用FLAC3D动力模块研究割缝后煤体应力状态，分析钻孔卸压特征，确定穿层钻孔水射流割缝最优参数。建立模型尺寸为(10～24 m)×15 m×10 m，单元数量为222 600～488 400，从上到下依次为顶板岩层、煤层和底板岩层，如图2所示。煤体采用Mohr-coulomb模型，参数赋值见表1。

2.1 不同割缝间距下卸压效果模拟

高压水射流环切割缝后，缝槽上方煤体形成简支梁结构。缝槽内部煤体的缺失使得周围煤体会产生形变空间，煤体位移变化通常伴随着内部新裂隙产生及旧裂隙再次发育，这个过程中缝槽周边煤体应力逐渐降低直至演化为拉伸状态。

图3为环割间距0.5，1.0，1.5，2.0 m时最大主应力云图。当割缝间距为0.5 m时钻孔围岩均处于拉伸状态，周边煤体高度卸压，不同缝槽卸压区相互覆盖。缝间距1.0 m时，卸压区面积开始减小，不同环割缝槽间卸压区域仍彼此连续。当缝槽间距增加至1.5～2.0 m，卸压区域面积进一步减小的同时彼此分离，钻孔周边煤体此时未能充分卸压。

由图4可知，当钻孔割缝间距为1.0 m时，钻孔周边煤体的破坏形式逐步由拉伸破坏为主转变为以剪切破坏为主。随着割缝间距逐渐增大，钻孔周边煤体卸压程度迅速降低，钻孔瓦斯抽采能力随之减弱。

穿层钻孔割缝间距越小，钻孔周边卸压程度越高，而割缝间距减小将会增加割缝工程量，考虑到割缝间距大于1.0 m无法实现连续充分卸压，为了在减少施工工程量的同时达到较好的卸压效果，穿层钻孔割缝间距应以1.0 m最优。

2.2 不同钻孔间距下卸压效果模拟

图5为不同钻孔间距最大主应力云图，图6为钻孔间主应力分布曲线。割缝后相邻钻孔间煤体卸压程度分布随着钻孔间距的增大逐渐减小。当钻孔间距为6,8,10,12 m时，相邻钻孔间最大主应力分别为4,5,8,15 MPa。

由图6可知，钻孔间距分别为6 m及8 m时钻孔间煤体最大主应力较为接近，明显小于10 m钻孔间距最大主应力。进一步减小钻孔间距将显著增加钻孔工程量，因此钻孔间距以8 m为最优。

2.3 不同割缝方式下卸压效果模拟

图7为不同割缝方式最大主应力分布云图。平行割缝钻孔间最大主应力14 MPa，相比较交叉割缝仅为10 MPa，显示出交叉割缝方式整体卸压水平较高，这是由于平行割缝相邻钻孔缝槽间强卸压区、弱卸压区彼此对应，钻孔间煤体存在卸压空白区。交叉割缝方式强卸压区对应相邻钻孔弱卸压区，可对彼此弱卸压区域相互补充，因此割缝方式选择交叉式割缝为最优。

3 环形切缝卸压应用

3.1 试验钻孔的设计

高压水射流环割试验在焦煤集团赵固二矿西运输大巷，煤层埋深830～930 m。煤层为二叠系下统山西组下部二1煤层段，煤层倾角约为9°，煤厚5.8 m，区域内原煤瓦斯含量在9.33～14.80 m3/t。

设计高压水射流环割钻孔与普通抽采钻孔各一组，按孔底间距8 m每组布置15个钻孔，水射流环切割缝间距1 m，切割方式为交叉割缝，钻孔布置如图8所示。

3.2 切缝效果

在工作面底板巷割缝钻场内任意相邻两个钻孔中间，设计施工钻孔安装BC-1变形考察仪，在割缝后观测变形量，经考察钻孔割缝后2个钻孔之间煤层顶底板总变形量为9.5 mm，变形率为0.136%。

在工作面底板巷割缝钻场内任意相邻2个钻孔中间设计施工考察钻孔。割缝前测试煤层原始透气性系数为0.026 32 m2/(MPa2·d)，割缝后测得煤层透气性系数为1.105 m2/(MPa2·d)，较原始煤层透气性系数提高42倍。

图9为割缝钻孔与未割缝钻孔在考察时间内抽采纯量变化曲线。割缝钻孔单孔抽采量最大值0.090 m3/min，最小值0.042 m3/min，平均0.055 m3/min。普通抽采钻孔单孔抽采量最大值0.044 m3/min，最小值0.009 m3/min，平均值0.016 m3/min。高压水射流环割钻孔抽采效率为普通钻孔的3.44～5.32倍。割缝钻孔抽采150 d在距离钻孔0.5，1.0，1.5及2 m位置测定残余瓦斯含量均小于6 m3/t，最大值5.3 m3/t。对比钻孔在0.5 m位置残余瓦斯含量均小于6 m3/t，在1 m位置残余瓦斯含量均大于6 m3/t，最大值8.66 m3/t。抽采半径提高了1倍以上。

4 结 论

(1)理论计算普通钻孔及割缝钻孔瓦斯流量微分方程，分析了割缝后钻孔瓦斯流动模式，获得了高压水射流环切割缝自卸压增透机制。

(2)采用数值模拟分析高压水射流割缝后钻孔周边煤体应力演化规律，基于煤体卸压程度及塑性区分布特征确定了穿层钻孔合理割缝间距、钻孔间距、割缝方式等工艺参数。

(3)现场试验表明，高压水射流环切割缝自卸压技术能使煤体应力状态得到有效改善，增强煤体透气性，割缝后钻孔内煤层变形量达0.136%，煤层透气性系数增加42倍，瓦斯抽采纯量增加3.44～5.32倍，抽采半径提高1倍以上，可有效解决高应力透气性煤层瓦斯治理难题。

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